摘 要:針對(duì)單片雷達(dá)接收機(jī)中對(duì)低噪聲放大器(LNA)的要求，采用CMOS 0.18 μm工藝設(shè)計(jì)了一個(gè)三級(jí)級(jí)聯(lián)的鏡像抑制低噪聲放大器。通過(guò)在低噪聲放大器中接入限波濾波器，實(shí)現(xiàn)對(duì)鏡像信號(hào)的衰減，從而減小了后端混頻器電路的設(shè)計(jì)難度。在ADS中對(duì)設(shè)計(jì)的放大器仿真，其結(jié)果為:最大供電電壓為5 V情況下，信號(hào)頻段為3.0 ~ 3.2 GHz，中頻輸出為225 MHz，功率增益≥31 dB，噪聲系數(shù)(FN)≤0.5 dB，1 dB點(diǎn)的輸入/輸出功率分別為-19.5 dBm和11.5 dBm，對(duì)鏡像信號(hào)的抑制度達(dá)22 dB。

關(guān)鍵詞:CMOS; 低噪聲放大器; 噪聲系數(shù); 鏡像抑制; 鏡像信號(hào); 陷波濾波器

中圖分類號(hào):TN432 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

文章編號(hào):1004-373X(2010)12-0005-03

Design of Three-level Low-noise Amplifier at Front End of Receiver

ZHOU Zhi-zeng， LIU Hong-liang， LIU Peng， MEI Yong-hua

(Unit 63889 of PLA， Mengzhou 454750， China)

Abstract: Three-level low-noise amplifier with image rejection was designed by the aid of the CMOS 0.18 μm technology to meet the requirement of the low-noise amplifier (LNA) in the radar receiver. With the notch filter in the LNA， it can reject the image signal which makes the circuit design of the mixer at the rear end easier. The designed amplifier is simulated in the ADS software. The simulation result is: under the condition of maximum supplied voltage 5 V， the band of the signal is 3.0~3.2 GHz， IF output is 225 MHz， power gain ≥31 dB， noise figure ≤0.5 dB， input and output 1 dB， power of the points is -19.5 dBm and 11.5 dBm respectively and the rejection of the image signal reaches 22 dB.

Keywords: CMOS; low-noise amplifier; noise factor; image rejection; image signal; notch filter

0 引 言

在現(xiàn)代雷達(dá)接收機(jī)中，應(yīng)用最廣的結(jié)構(gòu)是超外差結(jié)構(gòu)[1]。在該結(jié)構(gòu)中，單片系統(tǒng)往往需要片外濾波器去除鏡像信號(hào)，例如SAW濾波器，因而給系統(tǒng)的集成度帶來(lái)影響。為了達(dá)到一定的鏡像抑制比，而又不使用片外濾波器，通常使用鏡像抑制混頻器能提供60 dB左右的抑制度。但現(xiàn)代雷達(dá)接收機(jī)至少需要80 dB的抑制度，這就給鏡像抑制混頻器的設(shè)計(jì)增加了難度。

為解決該問(wèn)題，研究工作主要集中在鏡像抑制LNA的設(shè)計(jì)上[2-4]。從文獻(xiàn)[5-6]中，可以看到通過(guò)LNA與陷波濾波器(notch filter)的連接，其單片LNA的抑制度分別達(dá)到20 dB和75 dB。本文結(jié)合雷達(dá)接收機(jī)中LNA的指標(biāo)，通過(guò)設(shè)計(jì)電路結(jié)構(gòu)提高抑制度，與后級(jí)的鏡像抑制混頻器連接達(dá)到了較高的鏡像抑制比，提高了整個(gè)雷達(dá)接收機(jī)對(duì)鏡像信號(hào)的抑制度。

1 陷波濾波器

在本文中，對(duì)低噪聲放大器的要求是工作頻段為S頻段，噪聲系數(shù)FN為2~3 dB，功率增益在30 dB以上，輸出1 dB壓縮點(diǎn)不低于10 dBm，工作電壓為5 V。針對(duì)以上要求，采用的LNA基本結(jié)構(gòu)為發(fā)射極電感負(fù)反饋。式(1)表明，選擇適當(dāng)?shù)母兄稻湍苁苟丝诘玫狡ヅ?，最重要的是，這種結(jié)構(gòu)在信號(hào)的通道上避免了噪聲電阻，大大降低了噪聲系數(shù)，如圖1所示。

Zin≈s(Lb+Le)+1sCbe+ωTLe (1)

圖1 發(fā)射極電感負(fù)反饋結(jié)構(gòu)

陷波濾波器分為有源和無(wú)源2種結(jié)構(gòu)[7-8]，為減少設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，在鏡像抑制LNA設(shè)計(jì)中，采用無(wú)源結(jié)構(gòu)，如圖2所示，其中包括了C1，C2和L1 3個(gè)無(wú)源元件(L1中寄生電阻值為RL1)。

Zin=L1(C1+C2)s2+1C1C2L1s3+C2s (2)

抑制的鏡像頻率fim和通過(guò)的信號(hào)頻率fuse分別為:

fim=±12πL1(C1+C2) (3)

fuse=±12πL1C1 (4)

濾波器的Q值為:

Q=[ L1/(C1+C2)] RL112 (5)

圖2 帶有無(wú)源陷波濾波器的LNA

2 LNA設(shè)計(jì)分析

LNA的性能很大程度上決定了雷達(dá)接收機(jī)的性能指標(biāo)。為了滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)中的功率增益，實(shí)際的LNA采用三級(jí)級(jí)聯(lián)的方式設(shè)計(jì)。

FN=F1+(F2-1)/GA1+(F3-1)/(GA1GA2) (6)

IIP3=1/(IIP3)1+G1/(IIP3)2+(G1G2)/(IIP3)3 (7)

式中:Fn，GAn，(IIP3)n分別為L(zhǎng)NA每級(jí)的噪聲系數(shù)(這里n=1，2，3)，功率增益和三階交調(diào)參數(shù)。

從式(6)、式(7)不難得出:

(1) 降低模塊的噪聲系數(shù)，主要是降低前級(jí)電路的噪聲系數(shù);

(2) 為了降低后續(xù)電路的噪聲對(duì)整個(gè)模塊的噪聲影響，前級(jí)模塊需要提供適當(dāng)?shù)脑鲆?

(3) 要提高模塊的線性度，除了提高各級(jí)電路的線性度之外，各級(jí)的增益不能太高。

為了滿足整個(gè)LNA的噪聲要求，第一級(jí)放大器應(yīng)主要面向優(yōu)化噪聲設(shè)計(jì)，以得到最小的噪聲系數(shù)，整個(gè)系統(tǒng)的噪聲系數(shù)基本取決于第一級(jí)的噪聲系數(shù)。第二級(jí)放大器應(yīng)在面向噪聲優(yōu)化的同時(shí)，提供一定的增益和線性度，以避免整個(gè)放大器的增益過(guò)低。第三級(jí)放大器主要面向線性度的優(yōu)化，通過(guò)諸如增大發(fā)射極電感的大小和晶體管偏置電流等手段，可以有效地提高1 dB功率壓縮點(diǎn)輸出功率，但是增益會(huì)受到一定的影響。

基本放大器采用共源共柵結(jié)構(gòu)[9]，既可以增加輸入/輸出的隔離度，又降低了Ld1和M2間的Miller效應(yīng)。同時(shí)，M1與M2之間接入電感Ld1[10]，有助于改善放大器的增益和噪聲情況。

在三級(jí)電路設(shè)計(jì)中，最復(fù)雜的是第三級(jí)電路。第三級(jí)放大器要滿足1 dB功率壓縮點(diǎn)輸出不小于10 dBm的要求，因此主要是面向優(yōu)化線性度設(shè)計(jì)。

放大器的電路圖如圖3所示，放大器的輸出功率三階交調(diào)點(diǎn)可以由式(8)來(lái)估計(jì):

OIP3=10log(5VceIc) (8)

從式(8)中可以看出要提高放大器的線性度，可以通過(guò)提高放大管的Vce電壓和集電極電流Ic。由于Vce不會(huì)很高，主要就是通過(guò)提高集電極電流Ic來(lái)提高放大器的線性度，但是一味地提高電流也會(huì)帶來(lái)功耗的增加。

圖3 單級(jí)LNA結(jié)構(gòu)圖

增加發(fā)射極電感可以提高1 dB功率壓縮點(diǎn)的輸出功率，但是放大器的增益會(huì)隨之降低，同時(shí)1 dB功率壓縮點(diǎn)的輸入會(huì)增大，加大對(duì)前一級(jí)放大器線性度的壓力。所以發(fā)射極電感只能選擇一個(gè)合適的感值，不能過(guò)大。

3 LNA仿真結(jié)果

仿真結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 鏡像抑制LNA的仿真結(jié)果

在鏡像頻率附近，增益由無(wú)陷波濾波器時(shí)的25 dB 左右，降到-21.9 dB值附近，對(duì)進(jìn)入LNA的鏡像信號(hào)起到一定的抑制作用。表1表明電路在頻段內(nèi)穩(wěn)定度狀況，系數(shù)遠(yuǎn)大于1，電路絕對(duì)穩(wěn)定。

另外，從式(5)可看出陷波濾波器的Q值受電感中的寄生電阻所限制。所以，在CMOS工藝中，電感的特性影響著LNA最后的性能。

圖5 鏡像抑制LNA的非線性特性

表1 穩(wěn)定因子

f /GHz StabFact1 f /GHz StabFact1

2.800 99.177 3.000 166.039

2.820 103.064 3.020 178.848

2.840 107.339 3.040 193.864

2.860 112.060 3.060 211.652

2.880 117.296 3.080 232.967

2.900 123.135 3.100 258.838

2.920 129.681 3.120 290.694

2.940 137.061 3.140 330.564

2.960 145.438 3.160 381.394

2.980 155.012 3.180 447.584

通過(guò)表2可以看到LNA在有陷波濾波器和沒(méi)有陷波濾波器兩種情況下的仿真結(jié)果的對(duì)比。

表2 鏡像抑制LNA的性能

參數(shù)無(wú)濾波器有濾波器

工作頻點(diǎn) /GHz3.103.10

鏡像頻點(diǎn) /GHz—3.45

(S11/S22) /dB-10.6/-26.8-34.3/-8.2

NF /dB0.370.47

增益 /dB40.531.0

輸出1 dB /dBm16.311.537

鏡像抑制 /dB—22

工藝 /μmCMOS 0.18

4 結(jié) 語(yǔ)

為了達(dá)到單片雷達(dá)接收機(jī)對(duì)鏡像抑制度的要求，采 用CMOS 0.18 μm工藝設(shè)計(jì)了一個(gè)三級(jí)級(jí)聯(lián)的鏡像抑制LNA。通過(guò)在LNA中接入無(wú)源限波濾波器，實(shí)現(xiàn)對(duì)鏡像信號(hào)的衰減，從而減小了后端混頻器電路的設(shè)計(jì)難度。最后在ADS中對(duì)設(shè)計(jì)的放大器進(jìn)行仿真，其結(jié)果為，最大供電電壓為5 V情況下，信號(hào)頻段3.0~3.2 GHz，中頻輸出為225 MHz，功率增益≥31 dB，噪聲系數(shù)≤0.5 dB，輸入/輸出1 dB點(diǎn)的功率分別為-19.5 dBm和11.5 dBm，對(duì)鏡像信號(hào)的抑制度達(dá)22 dB。避免了使用片外濾波器，提高了系統(tǒng)的集成度。由于目前的CMOS工藝中，電感的品質(zhì)依然有待提高。單片鏡像抑制LNA要想達(dá)到更好的性能，還有待進(jìn)一步研究。

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